[发明专利]一种高探测效率的单光子雪崩二极管探测器阵列单元

说明书

本发明公开了一种高探测效率的单光子雪崩二极管探测器阵列单元，该阵列单元为环绕式P‑注入加P埋层和P‑埋层保护的深P阱的SPAD结构，即：在P型衬底中通过离子注入形成深P阱，深P阱中有两个埋层区，即P埋层区3和P‑埋层区4，P‑埋层区4的上面有P‑注入区8环绕。该阵列单元结构能够有效地提高SPAD器件的光子探测效率，且暗计数率很低，很好地提高了SPAD探测器的整体性能。

技术领域

本发明涉及一种高探测效率的单光子雪崩光电二极管探测器阵列单元，属于光电技术领域。

背景技术

单光子雪崩光电二极管(即：SPAD)具有响应速度快、雪崩增益大、探测效率高、体积小、质量轻、功耗低等特点,因此它成为了制作单光子探测器的最佳器件。SPAD探测器可以探测非常微弱的光源，能达到单光子的量级，并对成像目标的光场在时间和空间上进行采样和计算，最后得到所需要的高质量成像结果。因此它在量子通讯、天文探测、生物波导、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射和量子密钥分配系统等领域都有着广泛地应用，并逐渐成为国内外研究的热点。

目前，影响SPAD探测器光子探测效率的因素有以下两种：1、深N阱与P型衬底形成的寄生PN结影响探测效率；2、雪崩区域的面积小；其中雪崩区域面积小的原因是：一方面重掺杂P+区与深N阱形成的雪崩区很薄使得雪崩区的面积很小；另一方面为了防止边缘击穿在P+区的周围生成了浅掺杂区使得雪崩区面积减小。为了提高探测效率，传统的单光子雪崩光电二极管(即：SPAD)只对其中某一种因素进行了改进，因此最后得到的效果并不理想，SPAD探测器的光子探测效率始终不高。为了有效地提高SPAD探测器的探测效率，一个关键的技术是如何扩大SPAD雪崩区的面积，并消除寄生PN结的影响。此外，在保证SPAD探测器的光子探测效率(即：PDE)成倍增长的同时，还要确保SPAD探测器的其他性能不受影响，如：串扰率，暗计数率(即：DCR)。

传统的SPAD单元结构的P型衬底内有一个深N阱，深N阱的表面中央有一个P+区，该区表面引出电极作为SPAD器件的阳极，P+区的两边是浅掺杂的P阱；深P阱的两边还有两个N+区，N+区表面引出电极作为SPAD器件的阴极；在深P阱之外P型衬底的两边有两个P+区，其周围被P阱包围；深N阱内P阱和N+区之间用浅沟槽隔离(STI)区隔开，深N阱内的N+区和深N阱外的P+区也用STI隔开。对于这样的结构，现有技术存在以下几个问题：1)、深N阱表面中央的P+区浓度高，与深N阱形成的雪崩区很薄。2)、为了防止边缘击穿，在P+区的周围形成了低掺杂P阱，从而使雪崩区面积更小了。3)、深N阱和P型衬底之间会形成寄生PN结，该PN结的存在会降低SPAD的探测效率。4)、传统SPAD结构中的浅沟槽隔离(STI)区的作用是减小串扰，但仅仅只是STI，最后得到的SPAD器件的串扰率依旧很高。而且传统的单光子雪崩光电二极管的探测效率普遍很低，串扰率较高。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于针对传统SPAD探测器存在探测效率低的问题，提出了一种高探测效率的单光子雪崩二极管探测器阵列单元，该阵列单元为环绕式P-注入加P埋层和P-埋层保护的深P阱的SPAD结构，该阵列单元解决了光子探测效率不高的问题，提高了SPAD的性能。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种高探测效率的单光子雪崩光电二极管探测器阵列单元，该阵列单元的有源区包括P型衬底1、外延层2、P埋层区3、P-埋层区4、P-注入区和P阱之间的浅沟槽隔离(STI)区5、两P阱之间的浅沟槽隔离(STI)区6、深P阱7、P-注入区8、N阱9、深P阱两侧的P阱10、外延层两侧的P阱11、N+区12、深P阱两侧的P+区13、外延层两侧的P+区14。